磁(ci)控(kong)溅射镀(du)膜(mo)仪器已(yi)经(jing)广泛应(ying)用(yong)于(yu)工业级(ji)镀(du)膜生(sheng)产(chan)和材(cai)料的表(biao)面改(gai)性[1，2]，在(zai)现代(dai)镀(du)膜(mo)工业生产中，影响镀(du)膜生(sheng)产效(xiao)率(lv)主(zhu)要(yao)有两个(ge)方面(mian)原(yuan)因(yin) ：镀(du)膜(mo)时(shi)候的(de)沉积效率(lv)和(he)磁控(kong)溅射(she)靶(ba)材(cai)的(de)利(li)用率(lv)[3-5]。特别(bie)是(shi)贵金属的镀膜(mo)使用(yong)过(guo)程(cheng)中，靶(ba)材的(de)费用昂贵(gui)，靶(ba)材的(de)利(li)用率(lv)至(zhi)关(guan)重要(yao)。
工业生产中，通常(chang)对贵(gui)金(jin)属靶(ba)材使用(yong)以下(xia)方(fang)式降(jiang)低(di)成(cheng)本(ben) ：①贵(gui)金属靶(ba)材与铜背(bei)板(ban)绑(bang)定，减少(shao)贵(gui)金属的厚(hou)度，降(jiang)低成(cheng)本(ben) ；②对于(yu)刻(ke)蚀后的(de)靶(ba)材(cai)进行回收利用[6-8]。本文应(ying)用 ANSYS 有限元方(fang)法(fa)模拟分(fen)析(xi)直(zhi)径为 72mm 圆(yuan)形平(ping)面(mian)溅(jian)射(she)靶枪(qiang)靶(ba)材(cai)的表面(mian)磁场(chang)，分(fen)析圆(yuan)形平面(mian)溅射靶的(de)靶(ba)材利(li)用(yong)率较(jiao)低的主(zhu)要(yao)原(yuan)因(yin)，针对(dui)原有靶材(cai)的(de)设计(ji)进(jin)行(xing)优(you)化，从(cong)而(er)降(jiang)低(di)贵(gui)金(jin) 属靶材(cai)的成本。
1、 圆形(xing)平(ping)面(mian)阴(yin)极结(jie)构(gou)
本文(wen)涉(she)及(ji)的直径为(wei) 72mm 圆(yuan)形(xing)平(ping)面磁控(kong)溅射靶(ba)应(ying)用于哈尔滨商(shang)业(ye)大学(xue)实(shi)验室磁(ci)控(kong)溅射系统(tong)，采用单(dan)靶位置(zhi)向(xiang)上(shang)溅(jian)射(she)排(pai)布，靶(ba)枪(qiang)角(jiao)度(du)可以(yi)调节(jie)，基片(pian)位于靶(ba)枪(qiang)上方靶(ba)基距(ju)120mm 位(wei)置[9]。
该(gai)靶枪(qiang)采(cai)用高磁场(chang)强度的(de)钕铁硼(peng)磁铁，靶(ba)枪内(nei)部(bu)采用(yong)间接水冷(leng)并(bing)与磁(ci)铁分(fen)离的设(she)计(ji)，克(ke)服直接水冷(leng)结构(gou)中靶(ba)枪(qiang)磁铁(tie)与(yu)靶(ba)材等发(fa)生电(dian)化(hua)学反(fan)应的缺点(dian)，有(you)效(xiao)延长(zhang)靶(ba)枪的使用(yong)寿(shou)命(ming)。
圆(yuan)形平面磁(ci)控溅(jian)射阴极结构(gou)图(tu) 1 所(suo)示(shi)，主(zhu)要(yao)有(you)靶(ba)材(cai)、磁(ci)控溅射靶(ba)枪(qiang)、靶(ba)枪挡板(ban)、靶杆、限位(wei)块(kuai)、电(dian)极(ji)接(jie)线(xian)端子(zi)六(liu)大(da)部分(fen)组(zu)成。
靶材(cai)的基(ji)本参数如(ru)下(xia) ：工(gong)业(ye)用靶材(cai) 72mm×8mm，
靶(ba)材(cai)四周(zhou)通(tong)过(guo) 8-φ4.5mm 孔均(jun)布(bu)固定(ding)在(zai)靶(ba)枪(qiang)上，防止(zhi)靶(ba)材(cai)在工(gong)艺(yi)过程中受(shou)热变形脱落(luo)，如(ru)图(tu) 2 磁(ci)控溅射(she)靶材(cai)所示(shi)。
2 、圆形(xing)平面(mian)磁控溅射(she)阴极(ji)磁(ci)场模(mo)拟计(ji)算
2.1 圆形平(ping)面磁控(kong)溅射(she)阴极物理建模(mo)
图(tu) 3 为(wei)圆形平面磁(ci)控溅(jian)射(she)靶(ba)枪的(de)物(wu)理(li)建(jian)模。直径 72mm圆(yuan)形(xing)磁(ci)控(kong)溅(jian)射阴(yin)极(ji)主要(yao)有以下六大(da)部(bu)分组(zu)成 ：靶(ba)材(cai)、靶(ba)基座、外磁(ci)环(huan)、中(zhong)心磁铁、水(shui)冷管路、电极(ji)接线(xian)端(duan)子。整(zheng)个圆 形(xing)靶枪沿靶枪(qiang)径向轴(zhou)中心(xin)对(dui)称，建立在(zai) XY 平面(mian)坐标(biao)系中，图(tu) 3 中坐(zuo)标原点(dian)在(zai)靶(ba)材(cai)上表(biao)面(mian)圆(yuan)心(xin)位(wei)置，X 轴在(zai)靶枪的(de)径(jing)向(xiang)方(fang)向，Y 方向水平靶材(cai)表(biao)面方向[10]。靶(ba)枪(qiang)内(nei)部磁(ci)铁(tie)排布为(wei) N-S-N，因此(ci)，磁(ci)力线(xian)由(you)中(zhong)间磁铁 S 极(ji)出发(fa)，穿(chuan)过靶材在回(hui)归(gui)到(dao)外(wai)环磁(ci)铁(tie) N 极(ji)，形(xing)成(cheng)完整(zheng)的磁(ci)力(li)线(xian)回(hui)路。
2.2 ANSYS 物(wu)理(li)建模(mo)的(de)网格(ge)划(hua)分
本文(wen)采(cai)用(yong)的(de)圆(yuan)形磁控(kong)溅射阴(yin)极(ji)由(you)两(liang)个磁铁块(kuai)组(zu)成(cheng) ：中(zhong)心磁(ci)铁和外磁环(huan)，并且(qie)两(liang)个(ge)磁(ci)铁磁(ci)性(xing)相反(fan)。中(zhong)心(xin)磁(ci)铁的半径 为 10.5mm，高度 12mm，外磁环(huan)外径为60mm，内(nei)径为 25mm，高(gao)度为 12mm。磁(ci)铁材(cai)质(zhi)选(xuan)用汝铁(tie)硼，矫顽力(li)为 10 0000erteds，其 退 磁 曲 线 如 图 4 所(suo) 示，在 Ansys-workbench 有限元分析软件(jian)的前(qian)处理(li)器(qi)中(zhong)建(jian)立(li)网格(ge)模型， 将(jiang)靶(ba)枪内部(bu)各部(bu)分(fen)零(ling)件赋(fu)予材(cai)料(liao)属性(xing)，选择智能网(wang)格(ge)划分(fen)，网格(ge)精度划(hua)分(fen)为中(zhong)级(ji)网(wang)格(ge)，见图 5。
2.3 磁(ci)场(chang)模拟分析靶材(cai)利(li)用率(lv)范(fan)围(wei)
磁(ci)控(kong)溅(jian)射的基(ji)本(ben)原(yuan)理(li)是腔(qiang)体(ti)中通入氩(ya)气(qi)在高(gao)电压(ya)阴(yin)极的作用下电离(li)，电(dian)离后(hou)氩(ya)离子在靶(ba)枪(qiang)正交(jiao)的电场和磁场作(zuo)用(yong)下(xia)，沿(yan)着靶(ba)枪表面环(huan)形(xing)运(yun)动(dong)轨(gui)迹(ji)束(shu)缚并且(qie)延(yan)长(zhang)氩离子(zi)和靶(ba)材(cai)的(de)碰撞(zhuang)几率[11，12]，有(you)效的利用(yong)电(dian)子(zi)的能(neng)量(liang)，其中(zhong)磁场的主(zhu)要作用(yong)是(shi)改(gai)变(bian)氩(ya)气离子的运(yun)行轨迹(ji)，因(yin)此，靶材表面的磁(ci)场强度(du) B 值(zhi)大(da)小和分(fen)布(bu)直(zhi)接(jie)影(ying)响磁控溅射(she)靶(ba)刻蚀(shi)轨(gui)道(dao)形(xing)状(zhuang)和刻蚀深(shen)度。
从模(mo)拟数据图 6 圆形(xing)平(ping)面磁(ci)控(kong)溅射(she)靶(ba)材(cai)表面(mian)磁场(chang)等位(wei)线(xian)结(jie)果(guo)表(biao)明 ：在水(shui)平(ping)磁(ci)场(chang)方(fang)向上(shang)，主要集中(zhong)在(zai)圆形(xing)靶(ba)材表(biao)面(mian)的(de)中心(xin)圆环(huan)内，并且(qie)中心磁铁(tie)和(he)外(wai)环(huan)线(xian)磁铁(tie)的(de)之间的(de)中(zhong)心(xin)位(wei)置(zhi)有(you)一个(ge)最(zui)大值 By 为(wei) 0.5T。外(wai)环(huan)磁铁和(he)中(zhong)心磁铁(tie)正(zheng)上(shang)方的水平磁场(chang)强度 By 为(wei) 0。竖直(zhi)磁场强(qiang)度(du)分(fen)布 Bx ：磁(ci)场强(qiang)度(du)主(zhu)要集中(zhong)在中心(xin)磁铁(tie)正(zheng)上方(fang)的靶材表面(mian)位(wei)置(zhi)和边(bian)缘环形(xing)磁铁(tie)正(zheng)上(shang)方(fang)的(de)靶材表(biao)面(mian)位置(zhi)，因此(ci)，中(zhong)心(xin)磁(ci)铁(tie)和外磁(ci)环正(zheng)上(shang)方(fang)的磁(ci)场(chang)强(qiang)度(du) Bx 数值(zhi)最大。由于磁(ci)控溅(jian)射工(gong)作原理主(zhu)要是(shi)正交的(de)磁场和(he)电(dian)场作用靶(ba)材(cai)表(biao)面的(de)分布，所以(yi)主要(yao)考虑的(de)是水(shui)平(ping)磁(ci) 场强度 By 会直(zhi)接影响到磁(ci)控溅射靶(ba)枪工(gong)作(zuo)过(guo)程中(zhong)氩气(qi)离(li)子(zi)在靶(ba)材表面的(de)运动轨(gui)迹(ji)。
模拟计算靶(ba)材表面水平(ping)方(fang)向(xiang) Bx 和 By 磁(ci)场(chang)分布(bu)云图 7，数据(ju)表明 ：沿着靶(ba)材表(biao)面(mian) Y 轴位置 -3.6mm 到 3.6mm 之间靶(ba)材表(biao)面(mian)磁(ci)铁强度为 0，X 轴 -36mm 到(dao) -19.8mm 靶材磁(ci)场 强(qiang)度(du)为(wei) 0，Y 轴 18mm 到(dao) 36mm 之间靶材(cai)磁场强度为(wei) 0. 这(zhe)些(xie)数(shu)据为我(wo)们设(she)计靶材提(ti)供(gong)了非常(chang)重(zhong)要的依(yi)据(ju)。
3、 新(xin)型(xing)圆(yuan)形平面贵(gui)金(jin)属(shu)靶材的(de)设计
3.1 新型圆形(xing)平(ping)面(mian)贵(gui)金属(shu)靶材结构(gou)
依(yi)据(ju)靶(ba)材(cai)表面水(shui)平(ping)方(fang)向(xiang) Bx 和(he) By 磁场分(fen)布(bu)云图，和(he)已经过(guo)刻蚀(shi)的(de)靶(ba)表(biao)面轨道(dao)图(tu) 8 做对比，发(fa)现(xian)磁场(chang)模拟(ni)和实(shi)际情(qing)况相符 ：因(yin)为(wei)靶枪(qiang)中心磁铁和外(wai)磁环(huan)磁(ci)铁(tie)上(shang)方(fang)部位(wei)水平磁场 强(qiang)度(du) Bx 数(shu)值(zhi)为(wei)零(ling)。所以(yi)，在整个溅射(she)刻蚀(shi)过(guo)程(cheng)中该部(bu)位(wei)没(mei)有(you)发(fa)生(sheng)溅(jian)射(she)刻蚀损(sun)耗。因(yin)此(ci)，考(kao)虑(lv)该部(bu)分(fen)贵金属(shu)可(ke)以(yi)省略，使用(yong)无(wu)氧(yang)铜背板(ban)部分替(ti)代，采用绑(bang)定的方(fang)法(fa)将(jiang)贵(gui)金(jin)属靶(ba)材(cai)和(he)特殊(shu)形(xing)状无氧(yang)铜背(bei)板固定，达到与原靶(ba)材同样(yang)的使(shi)用效(xiao)果(guo)，考虑到整个(ge)靶(ba)材在溅(jian)射(she)过(guo)程中，刻蚀(shi)轨(gui)迹(ji)是从(cong)宽(kuan)到窄，整个刻(ke)蚀(shi)过(guo)程也(ye)是由慢到快(kuai)。因(yin)此，贵(gui)金属(shu)靶(ba)材(cai)在厚(hou)度方(fang)向上(shang)的(de)利用(yong)率(lv)随着(zhe)刻(ke)蚀深度(du)越来(lai)越(yue)低。
依据(ju)靶材表面(mian)水平(ping)方(fang)向(xiang) Bx 和(he) By 磁(ci)场分布云(yun)图 7，可以得出整(zheng)个溅射(she)工(gong)艺(yi)过(guo)程中(zhong)消(xiao)耗贵金属(shu)靶材(cai)的(de)部分(fen)范(fan)围尺寸为 X 轴 3.6mm 到 18mm 和 -3.6mm 到(dao) -18mm 轴(zhou)对(dui)称(cheng)，因 此(ci)，考虑(lv)贵(gui)金(jin)属(shu)靶材部(bu)分采用(yong)环(huan)装(zhuang)设计(ji)结构，外径(jing)为 40mm内径为 8mm 厚度(du)为 5mm，贵金属靶(ba)材部(bu)分(fen)设(she)计示(shi)意图 9 所示(shi)。
无(wu)氧(yang)铜背(bei)板(ban)部分(fen)，需要考虑两(liang)个方(fang)面，其一 ：背板(ban)部分(fen)需(xu)要(yao)和靶(ba)基座固(gu)定(ding)，最(zui)大面积(ji)的(de)接触靶(ba)基(ji)座保证(zheng)水冷(leng)效果 ；其二(er)，新设(she)计的(de)贵(gui)金属部分需(xu)要和(he)铜背板(ban)粘合在(zai)一起，必(bi) 须(xu)考(kao)虑(lv)粘合公(gong)差方面(mian)的(de)参(can)数(shu)，要求(qiu)贵金属(shu)部分和(he)铜(tong)背板部(bu)分(fen)采(cai)用间隙配合，铜(tong)背板(ban)内径(jing)和贵(gui)金属(shu)部(bu)分(fen)外径(jing)间(jian)隙大(da)于0.05mm，铜(tong)背板设计效果(guo)图(tu) 10 所示(shi)。
3.2 新型圆(yuan)形(xing)平(ping)面(mian)溅射(she)靶(ba)材(cai)和(he)背板(ban)的(de)固(gu)定(ding)方(fang)式(shi)
贵(gui)金(jin)属(shu)材料(liao)部(bu)分和铜背板(ban)部分采用绑(bang)定工(gong)艺，将两(liang)个(ge)部(bu)件(jian)粘合(he)一起，这种新(xin)设计(ji)的靶材(cai)尝试(shi)以下(xia)三(san)种绑定(ding)方式，通(tong)过试(shi)验测(ce)试发(fa)现(xian)它们的(de)优缺点(dian) ：
（1）铟(yin)绑(bang)定，测(ce)试(shi)后发现(xian)其(qi)主(zhu)要优(you)点有成(cheng)本低(di)，工艺(yi)成熟(shu)，缺(que)点(dian)是(shi)铟熔(rong)点温度(du)为 150℃，工(gong)艺过(guo)程中(zhong)功(gong)率(lv)增(zeng)加(jia)斜率(lv)过大(da)或者靶枪长时(shi)间持(chi)续工作，靶(ba)材(cai)和(he)背板之(zhi)间(jian)的热(re)膨(peng)胀系(xi) 数不一样(yang)，铟受(shou)热(re)融化(hua)，经(jing)常(chang)有脱(tuo)靶(ba)材现场(chang)[13]。
（2）塑(su)料(liao)绑定，这(zhe)种(zhong)绑(bang)定(ding)方式为(wei)采用(yong)新型有(you)机(ji)低(di)饱和蒸汽(qi)压材(cai)料，选用(yong) Kurt Lesker 公(gong)司(si)银(yin)环(huan)氧树脂胶(jiao)水型号(hao) KL-325K 对靶材和(he)背(bei)板进行粘合，价格成(cheng)本(ben)和(he)铟(yin)绑定相(xiang)当(dang)，这(zhe)种 环(huan)氧(yang)胶(jiao)水(shui)热传(chuan)导(dao)为 25x10-4 W/mK，室(shi)温为 25℃时(shi)电(dian)阻(zu)率为0.001 ohm-cm，测(ce)试(shi)发(fa)现(xian)这(zhe)种方式(shi)的主要(yao)优(you)点(dian)有材(cai)料熔(rong)点温(wen)度(du)高于铟绑定(ding)，最(zui)大(da)温度可以达到 240℃，可以(yi)在 175℃以为长(zhang)时(shi)间持续(xu)工作。贵金属(shu)靶(ba)材(cai)、有(you)机(ji)粘(zhan)合材料(liao)层(ceng)、铜(tong)背(bei)板(ban)三种材料在(zai)一起(qi)，在镀膜工(gong)艺过(guo)程中(zhong)，随(sui)着(zhe)温(wen)度的升高，贵(gui)金(jin)属靶(ba)材(cai)和背板之(zhi)间(jian)有(you)较(jiao)大(da)的变形量(liang)，而有机黏合层，起(qi)到变(bian)形缓冲作用，可(ke)以(yi)有效(xiao)防止(zhi)陶瓷(ci)材(cai)料(liao)、硅(gui)材(cai)料(liao)等易(yi)碎(sui)材(cai)料(liao)在工艺过程中在(zai)应力作用下(xia)变(bian)形破(po)裂(lie)和(he)脱靶(ba)现象(xiang)[14，15] ；
（3）扩散(san)绑(bang)定，主要优点(dian)靶材(cai)和背板(ban)之间通(tong)过物(wu)理(li)扩散方(fang)式粘合(he)，在镀(du)膜工艺(yi)过程不会发(fa)生(sheng)靶材脱(tuo)落现象，研究(jiu)发(fa)现(xian)国内(nei)使用这(zhe)种工艺(yi)不(bu)成熟(shu)，加工(gong)成(cheng)本(ben)高(gao)，靶(ba)材和(he)背(bei)板在(zai)刻(ke) 蚀(shi)后很(hen)难再(zai)次(ci)脱离(li)，增(zeng)加(jia)了(le)靶(ba)材(cai)回(hui)收(shou)再(zai)利(li)用的(de)难度(du)，不(bu)适合(he)贵(gui)金属(shu)靶材[16]。
通(tong)过对(dui)比(bi)试(shi)验后(hou)发现，新(xin)型的(de)靶材更(geng)适(shi)合(he)于塑料绑定工艺。绑定(ding)工(gong)艺(yi)后(hou)靶(ba)材(cai)的如(ru)效果(guo)图(tu) 11 所(suo)示。假(jia)如，该(gai)贵(gui)金属为常(chang)规工(gong)艺(yi)用的(de) 99.999% 纯度(du)的(de)金，金靶材部分(fen)重量(liang)为(wei) 115g。 而(er)无(wu)氧铜背(bei)板(ban)部(bu)分重(zhong)量为(wei) 144g。之(zhi)前老(lao)式的靶(ba)材(cai)设(she)计(ji)金(jin)的(de)重(zhong)量(liang)为 575g。这(zhe)会(hui)将整个(ge)金(jin)靶材(cai)部分(fen)的(de)成(cheng)本(ben)减(jian)低(di) 13 万人(ren)民(min)币(bi)，提高(gao)了贵(gui)金(jin)属的利用率。
4、 结(jie)论(lun)
通(tong)过(guo) ANSYSY 模拟(ni)，对(dui)直(zhi)径(jing) 72mm 圆形(xing)平(ping)面溅射阴极(ji)的靶材表面的磁场(chang)强度(du)进行(xing)了分析(xi)，结(jie)果(guo)表明 ：圆(yuan)形(xing)平面溅射(she)阴(yin)极(ji)靶(ba)材(cai)表面(mian)的(de)沿 X 轴水(shui)平磁场(chang)分布中靶(ba)材轴(zhou)心(xin)位置到(dao)靶(ba)材(cai)边(bian)缘位置之(zhi)间(jian)有一(yi)个(ge)最(zui)大值(zhi)磁场强(qiang)度 By 为 0.5T ；而靶(ba)材表面最中心位(wei)置和(he)靶材(cai)表(biao)面(mian)外(wai)磁(ci)环所在的正上(shang)方(fang)位置(zhi)处(chu)，水(shui)平(ping)方向(xiang)磁(ci)场强(qiang)度(du)为(wei) 0mT，模拟(ni)数据与(yu)靶枪(qiang)实(shi)际刻(ke)蚀跑道轨(gui)迹相符。
根据这个(ge)模拟计(ji)算结(jie)果(guo)，提(ti)出一种(zhong)新的靶(ba)材(cai)的设(she)计方(fang)案(an)，将(jiang)靶材(cai)表面(mian)磁场 Bx 为(wei) 0 的(de)部(bu)分用无氧铜(tong)背板替(ti)代，采用(yong)新(xin)型设(she)计(ji)的无氧(yang)铜背(bei)板与贵(gui)金(jin)属靶材采用塑(su)料绑(bang)定的工艺(yi)固定(ding)粘合(he)，降(jiang)低了(le)工业生产中(zhong)贵(gui)金(jin)属靶(ba)材的成本(ben)。模(mo)拟计(ji)算结(jie)果表(biao)明 ：原靶(ba)材(cai)贵金属(shu)部(bu)分(fen)体积为 31.266cm³，新型(xing)的靶(ba)材贵金(jin)属(shu)部(bu)分的体(ti)积(ji)为 ：6.03cm³。由(you)此(ci)可见(jian)通过圆形(xing)平(ping)面(mian) 溅射(she)阴极(ji)的(de)靶(ba)材(cai)设(she)计(ji)的(de)优(you)化，减(jian)少了贵(gui)金属靶(ba)材(cai)部分(fen) 80%的浪费(fei)，为解(jie)决(jue)工(gong)业(ye)生产(chan)过程中贵金属(shu)靶材成本(ben)高的缺(que)陷(xian)，提(ti)高(gao)贵金(jin)属材(cai)料(liao)的(de)利用(yong)率(lv)提供(gong)了(le)新(xin)思(si)路。
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相(xiang)关(guan)链(lian)接(jie)
